Ανάπτυξη και μελέτη μιας βασισμένης στα μοντέλα διερευνητικής διδακτικής μαθησιακής σειράς για τις οπτικές ιδιότητες των υλικών

Abstract

The current PhD thesis is studying the impact of an exploratory model-based inquiry on the formation of epistemological beliefs about models, as well as conceptual understanding and scientific and technological knowledge about phenomena concerning optical properties of materials. A Teaching Learning Sequence (TLS) about the optical properties of optical fibres, in which digital photos of experiments were imported in a modeling environment (Cabrì Géomètre) was tailored, through a gradual research-based evolutionary process. Initially, in this adapted version, a gradual bridging between reality and the ray model is introduced, in order to enhance participants’ awareness about models and modeling. A total of 16 prospective teachers, students of Special Pedagogic Academy of Thessaloniki (S.P.A.T.), attended the initial shaped TLS, lasting 10hrs. Next, TLS since was evaluated, re-designed and re-implemented in two different aged groups, one new of 22 prospective teachers, students of S.P.A.T. and another of 24 9th grade students, following a developmental research approach. The revised version was empowered with metacognitive activities such as, reflection during the modeling process using appropriate prompts and keeping diaries after hands-on and virtual experiments, in order to facilitate students’ understanding about the features of the suggested optics ray model, as well as its strong and weak points. Participants’ epistemological beliefs about nature, function and changeability of models were confirmed through semi-structured interviews, whereas conceptual understanding by a written questionnaire included six tasks focused on light phenomena related to optical fibres, before and after the TLS. A 3 levels coding scheme was used to analyze the interview-protocols, while participant’s ideas about conceptual understanding tasks were scored according to 4/points scale. Also, the acquired scientific and technological knowledge were assessed, after TLS implementation, through a written questionnaire included 7 tasks, by way of appropriate evaluation scales (rubrics). The results of the research shown that after the implementation of the initial, as well of the revised TLS, both teacher students and students increase the level of epistemological beliefs about nature, function and changeability of models, enhance conceptual understanding about light phenomena and attain to a high degree the required scientific and technological knowledge about properties of optical fibres. Reflection seems to increase more the level of epistemological beliefs and conceptual understanding of both different aged groups, whereas in the case of acquired scientific and technological knowledge improvement was observed only for students. However, under the impact of reflection only the teacher students correlate their epistemological beliefs to conceptual understanding in relation with students. The above results strengthen the view that, in order to develop advanced epistemological beliefs about models and to establish a coherent relationship between epistemological beliefs and conceptual understanding, exploratory modeling should be enriched with more explicit teaching about models and modeling, expanding the field of applicability of specific model they use.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή μελετά την επίδραση, μιας βασισμένης στα μοντέλα διερευνητικής διαδικασίας, στη διαμόρφωση των επιστημολογικών αντιλήψεων για τα μοντέλα, καθώς και στην εννοιολογική κατανόηση και επιστημονική και τεχνολογική γνώση για φαινόμενα σχετικά με τις οπτικές ιδιότητες των υλικών. Μια Διδακτική Μαθησιακή Σειρά (ΔΜΣ), όπου ψηφιακές φωτογραφίες από πραγματικά πειράματα εισάγονται σε ένα περιβάλλον μοντελοποίησης (Cabrì Géomètre) διαμορφώθηκε, μέσα από μια σταδιακά αναπτυσσόμενη ερευνητική διαδικασία. Αρχικά, στη διαμορφούμενη αυτή έκδοση, μια άρρητη διαδικασία βαθμιαίας γεφύρωσης ανάμεσα στην πραγματικότητα και το μοντέλο της οπτικής ακτίνας εισάγεται, με στόχο την αύξηση της ενημερότητας των συμμετεχόντων για τα μοντέλα και τις διαδικασίες μοντελοποίησης. Ένα σύνολο 16 υποψηφίων δασκάλων, σπουδαστών της Ειδικής Παιδαγωγικής Ακαδημίας Θεσσαλονίκης (Ε.Π.Α.Θ.), παρακολούθησε την αρχικά διαμορφωμένη ΔΜΣ, διάρκειας 10 διδακτικών ωρών. Στη συνέχεια, αφού αξιολογήθηκε, η ΔΜΣ επανασχεδιάστηκε και εφαρμόστηκε εκ νέου σε δυο διαφορετικές ηλικιακές ομάδες υποκειμένων, ένα νέο σύνολο 22 υποψηφίων δασκάλων σπουδαστών της Ε.Π.Α.Θ. και σε μια τάξη 24 μαθητών γ’ γυμνασίου, ακολουθώντας μια αναπτυξιακή ερευνητική προσέγγιση. Η αναθεωρημένη έκδοση ενδυναμώθηκε με μεταγνωστικού τύπου δραστηριότητες, όπως ο αναστοχασμός μέσω κατάλληλων προτροπών κατά τη διαδικασία μοντελοποίησης και η τήρηση ημερολογίων μετά τα πραγματικά και εικονικά πειράματα με στόχο τη διάκριση των χαρακτηριστικών γνωρισμάτων του προτεινόμενου μοντέλου της οπτικής ακτίνας καθώς και των δυνατών και αδύνατων σημείων του. Οι επιστημολογικές αντιλήψεις των συμμετεχόντων σχετικά με τη φύση, λειτουργία και αλλαγή των μοντέλων διαπιστώθηκαν μέσω ημι-δομημένων συνεντεύξεων, ενώ η εννοιολογική κατανόηση μέσω ενός γραπτού ερωτηματολογίου, το οποίο περιελάμβανε 6 έργα σχετικά με τις ιδιότητες των οπτικών ινών, πριν και μετά την εφαρμογή της ΔΜΣ. Για την ανάλυση των πρωτοκόλλων των συνεντεύξεων χρησιμοποιήθηκε ένα σχήμα κωδικοποίησης τριών επιπέδων, ενώ οι ιδέες των υποκειμένων στα έργα εννοιολογικής κατανόησης βαθμολογήθηκε σύμφωνα με μια 4/βαθμη κλίμακα. Επίσης, η αποκτηθείσα επιστημονική και τεχνολογική γνώση εκτιμήθηκε μετά την εφαρμογή της ΔΜΣ από ένα γραπτό ερωτηματολόγιο το οποίο περιελάμβανε 7 έργα, μέσω κατάλληλα διαμορφωμένων κλιμάκων αξιολόγησης (rubrics). Τα αποτελέσματα της έρευνας έδειξαν ότι, μετά την εφαρμογή τόσο της αρχικής όσο και της αναθεωρημένης ΔΜΣ, οι υποψήφιοι δάσκαλοι και οι μαθητές αυξάνουν το επίπεδο των επιστημολογικών τους αντιλήψεων για τη φύση, τη λειτουργία και τη δυνατότητα αλλαγής των μοντέλων, βελτιώνουν την εννοιολογική τους κατανόηση σχετικά με τα φαινόμενα του φωτός και κατακτούν σε αρκετά υψηλό βαθμό την απαιτούμενη επιστημονική και τεχνολογική γνώση για τις οπτικές ιδιότητες των οπτικών ινών. Ο αναστοχασμός φαίνεται να βελτιώνει ακόμη περισσότερο τις επιστημολογικές αντιλήψεις και την εννοιολογική κατανόηση των μαθητών και υποψηφίων δασκάλων, ενώ στην περίπτωση της αποκτηθείσας επιστημολογικής και τεχνολογικής γνώσης βελτίωση παρατηρείται μόνο στους μαθητές. Ωστόσο, κάτω την επίδραση του αναστοχασμού μόνο οι υποψήφιοι δάσκαλοι συσχετίζουν τις επιστημολογικές τους αντιλήψεις με την εννοιολογική κατανόηση σε σχέση με τους μαθητές. Τα αποτελέσματα αυτά ενδυναμώνουν την άποψη ότι, για την ανάπτυξη των επιστημολογικών αντιλήψεων για τα μοντέλα και τη δημιουργία συνεκτικής σχέσης αλληλεπίδρασης με τη εννοιολογική κατανόηση και τη επιστημονική και επιστημονική γνώση, η διερευνητική μοντελοποίηση θα πρέπει να εμπλουτιστεί με μια περισσότερο ρητή διδασκαλία για τα μοντέλα, διευρύνοντας έτσι το πεδίο εφαρμογής του συγκεκριμένου μοντέλου που χρησιμοποιείται.